Гэвин Претор-Пинни - Занимательное волноведение. Волненя и колебания вокруг нас

• Название: Занимательное волноведение. Волненя и колебания вокруг нас
• Автор: Гэвин Претор-Пинни
• Издательство: Лайвбук
• Жанр: Физика
• Год: 2012
• ISBN: 978-5-904584-33-7

Приготовьтесь: вас ждет кругосветное путешествие по всевозможным волнам: от серферских океанических до мозговых, радио-, микро-, инфракрасных, акустических, световых и многих прочих.

Претор-Пинни предлагает нам заново взглянуть на наш постоянно взволнованный мир.

---

Живший в XVII в. в Германии иезуитский монах и ученый-энциклопедист Атанасиус Кирхер интересовался таким природным феноменом, как эхо. Кирхер владел десятками языков, включая китайский и коптский, его многотомное наследие включает трактаты по геологии, оптике, астрономии и акустике. Он по праву мог бы считаться святым покровителем профсоюзных деятелей — это он изобрел мегафон.

В своем труде Phonurgia Nova, опубликованном в 1673 году, Кирхер описал эксперимент, в котором человек, стоя напротив ряда примыкающих к стене перегородок, произносит слово. Кирхер снабдил описание рисунком: выступающие из стены под прямым углом перегородки отстоят от человека на разном расстоянии. По мере того как звук отражался от каждой последующей перегородки, эхо возвращалось все с большим и большим запаздыванием. Выкрикивая итальянское слово clamore, означающее «крик», Кирхер обнаружил, что с каждым возвращающимся эхом оно все более укорачивается: -amore, -ore, -re. Дело в том, что каждое последующее эхо, запаздывая чуть сильнее предшествующего, возвращается в укороченном виде и накладывается на слово, в то время как его произносят до конца. По чистой случайности каждая часть слова clamore имеет в итальянском и самостоятельное значение: «любовь», «время», «король».

О значении такой словесной игры можно только догадываться, но я уверен, что загадывание слов, эхо которых обладает самостоятельным значением, снискало бы популярность в качестве салонной игры. Правда, при условии, что салон представляет собой пещеру необъятных размеров.

В пещере любая произнесенная вами фраза будет отскакивать от стен, возвращаясь обратно; однако лишь при достаточной величине помещения вы заметите отголоски эха. В небольшой пещере звук будет накладываться на произносимое вами слово полностью, и никакого эха вы не услышите. Почти одновременное отражение звука в замкнутом пространстве известно как реверберация, оно является частью описываемой нами акустики пространства. Основываясь на характере обусловленного отражениями звука, мы и строим догадки об окружающем нас пространстве.

* * *

Похоже, моя дочь научилась говорить с помощью эха. В полтора года она норовила повторять все, что слышала. Если, забираясь в игрушечный домик дочки, я приветствовал ее с преувеличенной напыщенностью: «Вы, должно быть, Флора? Премного о вас наслышан. Рад, что мы, наконец, познакомимся», она радостно трясла протянутую мной руку и отвечала: «…познакомимся».

Какое-то время дочка здорово напоминала мне Эхо, нимфу из древнегреческой мифологии, которая, как писал Овидий, «на слова не могла не ответить, но не умела начать»{41} А все из-за Геры, вечно недовольной супруги Зевса — именно Гера «наградила» Эхо этим довольно неприятным речевым дефектом. Впрочем, Геру можно понять — поведение Эхо, покрывавшей других нимф, тайно вступавших в связь с Зевсом, ее вконец разозлило. Поскольку Эхо обыкновенно занимала Геру долгими разговорами, во время которых нимфы успевали скрыться, Гера в наказание отняла у Эхо способность говорить — нимфа могла лишь повторять последние обращенные к ней слова. Должно быть, как-то утром нимфы проснулись и обнаружили, что их подруга превратилась в ту, что вечно докучает, пытаясь закончить… предложения… за других.

И вот, будучи не в состоянии завести беседу с невероятно красивым юношей Нарциссом, к которому испытывала неодолимое влечение, Эхо могла лишь следовать за ним, прячась в тени. Страстное чувство жгло ее изнутри; она лишь надеялась, что однажды, когда они останутся наедине, юноша скажет что-нибудь, что она сможет повторить.

В конце концов, ей представилась такая возможность — отставший от друзей Нарцисс позвал: «Здесь кто-нибудь есть?»

Эхо с готовностью подхватила: «…есть»; она его как будто поддразнивала. И ее уловка неожиданно возымела действие — Нарцисс захотел узнать, кому принадлежит этот загадочный голос.

«Послушай, может, познакомимся?» — выкрикнул он. «…познакомимся», — ответила она, радуясь такому удачному обороту. Но затем совершила ошибку, распространенную в делах любовных — слишком рано открылась.

Выбежав из укромного места среди деревьев, Эхо бросилась к Нарциссу, обвив руками его шею. По словам Овидия, ничего хорошего из этого не вышло:

Он убегает, кричит: «От объятий удерживай руки!
Лучше на месте умру, чем тебе па утеху достанусь!»
Та же в ответ лишь одно: «Тебе на утеху достанусь!{42}

Несчастная Эхо! Такая нелепая ошибка обычно свойственна прыщавым юнцам, впервые попавшим на вечеринку. Нимфа до того страдала, что начала таять на глазах, пока от нее не остался один лишь голос. Могу представить, каково ей было. Вот сейчас пишу, а у самого слезы на глаза наворачиваются.

* * *

Помнится, я обещал разъяснить, почему процесс отражения волн — штука довольно сложная, и что отскакивающий мячик в качестве аналогии не подойдет. А вот почему: отражаясь, волны разделяются, поскольку они представляют собой перемещающуюся энергию, нет ничего удивительного в том, что они расщепляются: часть энергии направляется в одну сторону, часть — в другую. Волны легко разделяются на волны поменьше; это происходит всякий раз, как они отскакивают, ой, простите, отражаются от какой-либо поверхности.

Когда проходящая через одну среду волна достигает ее границы и попадает в среду с существенно иными свойствами, часть ее энергии отражается. Другая часть пересекает границу, то есть продолжает путь в другой среде. Иначе происходит с мячом, который ударяется о штангу. Мяч, конечно же, сообщает часть энергии штанге, отлетая от нее рикошетом, но предположение, что часть мяча при этом отскакивает обратно на поле, а другая продолжает путь через штангу, нелепо. Однако если бы такая ситуация имела смысл, не хотел бы я судить на том матче. Впрочем, процесс частичного отражения-поглощения вы часто видите. Вернее, слышите, поскольку он связан со звуковыми волнами.

Скажем, вы нежитесь в ванне, а ваша благоверная докучает вам подробностями своего рабочего дня. Вы уже устали ее слушать и с радостью ушли бы под воду с головой, хотя бы на несколько секунд. Если вы так и сделаете, заметите: в то время как большая часть ее утомительного пересказа отражается от воды, некоторая часть ваших ушей все же достигает. Пусть неприятные шипящие звуки до вас уже не доходят, вы все равно слышите монотонное бормотание на низкой частоте — оно проникает через воду, давя на ваши барабанные перепонки. Так что и вода не спасает — вы все равно слышите приглушенные жалобы на начальника отдела маркетинга, который всем на нервы действует.

Такому распространенному свойству звуковых волн, как частичное отражение, нашлось важное применение в военном деле. Работающая в активном режиме гидроакустическая система одной подводной лодки, используемая для обнаружения точных координат другой подводной лодки, испускает звуковой импульс и анализирует отражающееся эхо. Направление эха и длительность запаздывания, пока волны идут туда и обратно, указывает на местонахождение вражеской подлодки. Однако трудность в том, что не вся энергия звуковых волн отражается от корпуса неприятеля. Некоторая ее часть, достигая границы между водой и стальным корпусом, проходит дальше — через металл. Неприятель, имея соответствующее оборудование, может звуковой импульс засечь. Вот почему военные подлодки переключают свои гидроакустические системы в режим активной работы лишь при острой надобности.

Но такое явление, как отражение волн, задействуется и в мирных целях. Например, благодаря свойству частичного отражения и передачи волны проникают глубоко в человеческое тело, на чем и основывается процедура ультразвукового обследования.

На самом-то деле микрофоны у них совсем другие

Хотя границы между мягкими тканями человеческого организма не так четко выражены, как границы между костью и мышечной тканью, они, тем не менее, отражают часть ультразвуковых волн, посылаемых аппаратом, — в итоге врач получает ультразвуковую картину определенной области организма. Ультразвуковой сканер, своего рода высокочастотный гидроакустический мини-комплекс, посылает звуковые импульсы, в сотни раз превышающие доступный нашему уху частотный диапазон. Каждой ткани тела свойственна своя плотность, и на границе двух тканей часть волны отражается в виде эха.

Промежуток времени между отражениями эха от одной и другой границы обозначает расстояние до границы, а интенсивность звуковой волны обозначает ее четкость — например, граница это между мышечной тканью и костью или между двумя мягкими тканями. Способность волны проходить через любую преграду позволяет специалисту «проникнуть» глубоко внутрь организма. Отражение от одной границы дает возможность составить представление о состоянии организма на поверхностном уровне, в то время как проходящие дальше волны позволяют судить о процессах на более глубоких уровнях.